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En associant des solutions de jumeau numérique et un logiciel de simulation et visualisation de processus de haute performance en vue de les appliquer à des installations de traitement thermique à grande échelle, les pièces métalliques produites deviennent plus robustes, tandis que la conception, l’installation et la mise en service gagnent en simplicité.

Grâce au déploiement du logiciel Emulate3D™, ECM Technologies, leader mondial en matière de conception et de fabrication de fours industriels de cémentation basse pression modulaires à la pointe de l’innovation, a mis au point une solution qui relève la plupart des défis d’installation et de mise en service qui caractérisent le développement, les essais et le déploiement d’installations de traitement thermique à grande échelle.

Le traitement thermique à grande échelle n’est pas une mince affaire, surtout si l’on considère les volumes que requiert l’industrie automobile. Une installation de traitement thermique moderne peut occuper la superficie d’une usine entière, sans compter la complexité afférente, de sorte que ce processus est traditionnellement sous-traité à des entreprises disposant de solides capacités.

Toutefois, grâce aux principes de fonctionnement « lean », aux contrôles des coûts, ainsi qu’à la fabrication et à l’approvisionnement en flux tendus, certaines entreprises du secteur automobile envisagent de se doter des capacités de traitement thermique en interne et sur site. Grâce à la combinaison de contrôle des processus numérique et de jumeaux virtuels, ECM Technologies a fait de ce rêve une réalité, écartant de nombreux risques traditionnels en amont de l’installation.

Défi

Le traitement thermique est un processus multi-étapes complexe qui comprend un ensemble de variables de procédé qui doivent être contrôlées avec précision afin de maintenir un haut niveau de qualité et d’uniformité. Le procédé de cémentation basse pression mis en œuvre par ECM implique l’enrichissement de l’acier en carbone afin de renforcer sa résistance à l’usure et à la fatigue. Le procédé sous vide que l’entreprise a développé permet aux opérateurs de contrôler avec précision la quantité de carbone diffusée dans le métal en contrôlant de multiples variables, parmi lesquelles la longueur de chaque étape et la pression sous vide, un critère essentiel.

Selon Christian Dugit-Pinat, expert en automatisation chez ECM Technologies, «  plusieurs étapes sont nécessaires. Les pièces sont d’abord lavées avant d’être soumises au traitement thermique, puis trempées sous vide grâce à la cémentation, une étape qui peut durer jusqu’à six heures. Les pièces sont ensuite rapidement refroidies par trempe au gaz ou à l’huile avant les étapes de revenu et de traitement final. En tout, le traitement peut nécessiter près de 10 à 13 heures pour créer un composant de boîte de vitesses automobile standard. »

«  Nos installations de traitement thermique à motorisation électrique sont conçues selon le concept de multi-chambres. Plusieurs pièces, ayant chacune leur recette de traitement thermique respective et souvent unique, peuvent ainsi progresser en parallèle sur la ligne de production  ; à tout moment, entre 50 et 80 charges évoluent dans le processus. Chacune de ses charges doit être contrôlée et gérée individuellement pour assurer des niveaux de qualité maximum  », précise Christian Dugit-Pinat.

Solution

L’automatisation moderne est certes tout à fait capable de gérer ces installations dans le cadre de paramètres optimisés, mais il en va différemment de la conception, de l’installation et de la mise en service, dans la mesure où de nombreux problèmes et améliorations potentielles apparaissent au cours des phases d’amorçage.

«  Nous avons été chargés d’installer l’un de nos systèmes de cémentation sous vide ICBP Jumbo dans une grande usine automobile au Mexique  », explique Philippe Reymond, gestionnaire de projets chez ECM Technologies. «  Nous avons dû faire face à un certain nombre de défis supplémentaires  : il a fallu non seulement démarrer la production le plus tôt possible, mais le client nous a demandé d’utiliser sa norme logicielle, ce qui nécessitait une réécriture complète de notre code existant. Si l’on ajoute à cela les complexités et les délais qu’implique un projet de cette ampleur, nous savions que nous avions du pain sur la planche ! C’est pourquoi nous avons commencé à explorer des moyens de rationaliser le projet afin de pouvoir le déployer dans les plus brefs délais.  »

La société ECM s’était penchée sur la technologie du jumeau numérique comme solution possible à ces besoins, et ce projet a donné l’impulsion pour déployer activement le logiciel Emulate3D de Rockwell Automation.

«  Une fois cette installation au Mexique en cours de réalisation, nous avons décidé d’effectuer des simulations sous Emulate3D avec le concours des ingénieurs de Rockwell Automation  », ajoute Philippe Reymond. «  Face à l’ampleur de la tâche, il est apparu rapidement que réécrire et tester le code API sur un projet existant était totalement irréaliste dans les délais impartis, tant et si bien qu’un modèle virtualisé s’est imposé comme une évidence. »

«  La virtualisation nous a apporté des avantages considérables, notamment sur le plan de la connectivité avec d’autres logiciels. Comme nous devions simuler les aspects mécaniques de la conception tout en tenant compte de la thermodynamique, de la physique des procédés et de divers flux, nous avons utilisé MATLAB, un outil capable de transmettre les résultats directement au jumeau numérique », poursuit-il.

Résultats

En utilisant Emulate3D, ECM Technologies a pu simuler, mettre au point et finaliser entièrement une grande partie du code de son automate programmable (PLC) avant même de livrer la ligne et en procédant à des estimations en déboguant le code parallèlement à la production, et non de façon linéaire après l’installation, ce qui a permis de gagner jusqu’à cinq mois dans le calendrier de réalisation du projet ICBP Jumbo.

«  Nous avions déjà réalisé une installation similaire il y a sept ans, sans avoir recours aux solutions de commande de Rockwell Automation ni à son logiciel Emulate3D ; et même si nous avions alors utilisé notre propre logiciel, le projet a néanmoins avait été extrêmement complexe. À l’inverse, ce nouveau projet a non seulement été livré en temps voulu, mais de surcroît, le temps de mise en service a pu être réduit de 50 %. Même en utilisant le code propre au client, la mise en œuvre de ce second projet a été bien plus rapide avec moins de réunions sur site, ce qui a contribué à réduire les frais de déplacement transatlantiques  », ajoute Philippe Reymond.

Depuis, ECM Technologies a décroché une nouvelle commande de ce client et a été sollicité pour d’autres opportunités. «  Le client savait que nous avions entièrement réécrit le code de ce projet  », explique Philippe Reymond. «  Il a été impressionné à juste titre par notre rapidité d’installation et de mise en service. Nous envisageons à présent d’utiliser Emulate3D pour d’autres projets, dont trois sont en cours, et allons définitivement déployer les jumeaux numériques dans le cadre de nos procédures internes. »

«  En virtualisant nos projets, nous pouvons également gérer davantage de projets simultanément en raison de la qualité et de la rapidité des résultats, et en passant simplement moins de temps sur le site du client  », conclut le gestionnaire de projets d’ECM Technologies. «  De nombreuses pressions ont été éliminées et le stress induit par les problèmes à résoudre sur la ligne a diminué, ce qui est une bonne chose pour tout le monde. Nous sommes aussi plus confiants quant au respect des délais. Maintenant, si nous annonçons le 1er juillet, nous voulons vraiment dire le 1er juillet !  »

Nicola Lovine, développeur activités stratégiques pour la région EMEA, conception numérique et logiciels en tant que service (SaaS) chez Rockwell Automation, conclut  : «  Emulate3D est en train de devenir un outil incontournable du design industriel, dans la mesure où de plus en plus d’entreprises reconnaissent les énormes bénéfices qu’apportent les jumeaux numériques. Cette application dotée des technologies ECM est une véritable démonstration de ce qui peut être réalisé, et montre comment la conception et la mise en service peuvent être rationalisées. Nous nous réjouissons d’accompagner ECM Technologies dans son évolution dans le domaine numérique.  »

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